自动控制原理毕业设计论文

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

摘 要

电厂锅炉主汽温具有大延迟、大惯性、非线性等特点，传统的PID控制很难取得满意的控制品质，本文在线性PID的基础上，引入跟踪微分器及非线性模块，构造出一种新型的非线性PID控制器，进而提出了汽温非线性PID控制方案，对其进行仿真，并进行了抗干扰能力和鲁棒性测试。结果表明相比于线性PID，非线性PID具有更好地控制品质，并且具有较强的抗干扰能力和鲁棒性。

尽管线性理论不仅在理论上完善，在各种国防和工业控制中也已成功地应用，但是随着现代科学技术的发展和现代工业对控制系统性能要求的不断提高，线性反馈控制已经很难满足各种实际需要。大多数控制系统往往是非线性的，采用近似的线性模型虽然可以更全面、更容易地分析系统的各种性能，却很难刻画出系统的非线性本质，所设计的控制器也很难达到系统的性能要求。线性系统的动态特性已不足以解释许多常见的实际非线性现象。早期的非线性系统分析与设计没有自身的理论体系，对非线性系统的处理主要是采用将非线性特性分段线性化，然后使用线性控制理论分析与设计。

关键词：非线性PID控制器；电厂锅炉主汽温；使用Matlab仿真

I

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

Abstract

Power plant boiler main steam temperature with large delay, large inertia and nonlinear characteristics of the traditional PID control is difficult to obtain satisfactory control quality, this article on the basis of the linear PID, the introduction of tracking differentiator and nonlinear module, a new kind of nonlinear PID controller is constructed, and steam temperature of nonlinear PID control scheme is presented, simulation, and the anti-jamming ability and robustness test. The results show that compared with the linear PID, nonlinear PID has better control quality, and has strong anti-jamming ability and robustness.

Although linear theory not only perfect in theory, in a variety of national defense and also has been successfully used in industrial control, but with the development of modern science and technology and the continuous improvement of modern industrial control system performance requirements, the linear feedback control has been difficult to meet various practical needs. Most often is the nonlinear control system, an approximate linear model can be more comprehensive, more easily analysis various performance of the system, but it is difficult to depict a nonlinear nature of the system, the designed controller is difficult to meet the requirements of the performance of the system. Dynamic characteristics of a linear system is not enough to explain the actual nonlinear phenomena of the many common. Nonlinear system analysis and design of the early without its own theoretical system, handling of the nonlinear system is mainly used to nonlinear piecewise linearization, and then use the linear control theory analysis and design.

Key words: nonlinear PID controller; Power plant boiler main steam temperature; Using matlab simulation

II

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

目 录

摘 要 ................................................................................................................................... I ABSTRACT ........................................................................................................................... II 1引言................................................................................................................................... 1

1.1选题的背景及意义 ................................................................................................. 1 1.2国内外发展水平及面临的问题 ............................................................................. 1 1.3课题研究内容 ......................................................................................................... 2 2非线性PID控制器 .......................................................................................................... 4

2.1 非线性理论 ............................................................................................................ 4

2.1.1非线性控制的经典方法及局限性 ............................................................... 4 2.1.2 非线性系统理论的最新发展及问题 .......................................................... 5 2.2 跟踪微分器（TD） ............................................................................................... 7

2.2.1 跟踪微分器的数学表达式 .......................................................................... 7 2.2.2 跟踪微分器的数学模型的搭建（simulink下的实现） ........................... 9 2.2.3 跟踪微分器的仿真实现与分析 ................................................................ 11 2.3非线性组合 ........................................................................................................... 13

2.3.1 几种典型的非线性组合 ............................................................................ 13 2.3.2非线性组合的数学模型实现 ..................................................................... 14 2.3.3非线性组合的simulink搭建及仿真实现................................................. 14 2.4非线性PID控制器 .............................................................................................. 15 2.5?、?对非线性函数FAL的影响及假设 ........................................................... 16

2.5.1?对非线性函数fal的影响 ....................................................................... 16 2.5.2?对非线性函数fal的影响 ....................................................................... 18 2.6

?对跟踪微分器的影响 ..................................................................................... 19

3电厂主汽温控制系统方案 ............................................................................................ 21

3.1火电厂主汽温常规控制方案 ............................................................................... 21

3.1.1串级调节系统 ............................................................................................. 21 3.1.2 仿真实例 .................................................................................................... 22 3.2火电厂主汽温非线性PID控制方案 .................................................................. 23

3.2.1非线性PID串级控制系统结构 ................................................................ 23 3.2.2仿真实现与结果分析 ................................................................................. 24

III

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

4主汽温非线性控制的仿真研究 .................................................................................... 26

4.1 线性比例与非线性比例作用的比较与分析 ...................................................... 26

4.1.1参数设置 ..................................................................................................... 26 4.1.2 仿真实现与结果分析 ................................................................................ 26 4.2 线性积分与非线性积分作用的比较与分析 ...................................................... 27

4.2.1 参数设置 .................................................................................................... 27 4.2.2 仿真实现与结果分析 ................................................................................ 27 4.3 线性比例微分与非线性比例微分作用的比较与分析 ...................................... 28

4.3.1 参数设置 .................................................................................................... 28 4.3.2 仿真实现与结果分析 ................................................................................ 29 4.4 线性PID与非线性PID作用的比较与分析 ..................................................... 30

4.4.1 参数设置 .................................................................................................... 30 4.4.2 仿真实现与结果分析 ................................................................................ 30 4.5 非线性PID抗干扰能力测试与分析.................................................................. 31

4.5.1 PID抗干扰能力测试 ................................................................................. 31 4.5.2 不含TD非线性PID抗干扰能力测试 .................................................... 31 4.5.3 含TD的非线性PID抗干扰能力测试 .................................................... 32 4.6 非线性PID鲁棒性测试与分析.......................................................................... 33 5结论................................................................................................................................. 37

5.1结论 ....................................................................................................................... 37 5.2展望 ....................................................................................................................... 37 参考文献 ........................................................................................... 错误！未定义书签。 谢 辞 ................................................................................................................................ 40

IV

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

1引言

1.1选题的背景及意义

在轻工、化工等很多行业的过程控制中，被控对象大都带有滞后特性，例如，热量、物料和信号等的转移或转换需经过一定的时间，这便造成了许多过程存在大的滞后时间。无论控制作用如何，在滞后时间阶段，控制作用对过程变量的影响是不可测的。更为重要的是，时间滞后导致了过程变量输出不能迅速地响应控制信号，这等于在这段时间内反馈作用失效，而反馈是自动控制所必须得到的信息。

过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一，过热蒸汽温度或高或过低都会显著地影响电厂的安全性和经济性。过热蒸汽温度过高，可能造成过热器、蒸汽管道和汽轮机的高压部分金属损坏；过热蒸汽温度的过低，又会降低热效率并影响汽轮机的安全经济运行。所以锅炉运行中保持过热蒸汽温度的稳定性，对于减少设备损耗、确保整个热力网安全运行具有重大的意义。然而，过热汽温控制对象具有时变、不确定性和非线性等复杂特性。过热器管道较长和蒸汽容积较大，当减温水流量发生变化时过热器出口蒸汽温度容易出现较大的迟延；负荷变化时，主蒸汽温度对象的动态特性变化明显。此外，主蒸汽温度对象还具有分布参数和扰动变量多的特点，这都给常规的控制带来一定的难度。PID控制方案是目前应用最广泛的控制策略之一，但若用PID来控制具有显著时间滞后的过程，则控制器输出在滞后时间内由于得不到合适的反馈信号保持增长，从而导致系统响应超调大甚至使系统失控。传统的火电厂主汽温控制系统大多采用常规的PID串级控制方案。但是模型参数的不确定性以及在控制系统的运行中出现环境变化、元件老化等问题，采用常规的PID控制就很难取得满意的控制品质。

非线性PID控制器是在研究分析经典PID控制的基础上，利用非线性机制，汲取经典PID的思想精华，改进其“简单处理”的缺陷，构造出一种新型实用控制器。它采用非线性机制以提高控制系统性能的目的。因此，本文提出将非线性PID控制器应用到火电厂主汽温控制系统中，仿真试验结果表明其控制品质由于常规PID控制。

1.2国内外发展水平及面临的问题

控制理论的形成和发展，是从1932年乃奎斯特发表关于反馈放大器稳定性的经典论文开始，到现在为止，已经经历了经典控制理论阶段和现代控制理论阶段。自动控制理论随着科学技术的发展、被控对象种类的增多和控制性能要求的提高，

1

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

不断发展和完善。经典控制理论是以反馈为基础、以传递函数为系统数学模型，研究单输入-单输出、线性定常系统的分析与设计问题，主要用于工业控制以及第二次世界大战期间的军用装备。经典控制理论的基本分析与设计方法是根轨迹法和频率特性。

20世纪60年代，随着现代应用数学成果的推出和电子计算机技术的应用，为适用宇航技术的发展，形成了以状态空间描述为基础的现代控制理论，主要研究具有高性能、高精度的多变量多参数线性系统的最优控制问题。

尽管线性理论不仅在理论上完善，在各种国防和工业控制中也已成功地应用，但是随着现代科学技术的发展和现代工业对控制系统性能要求的不断提高，线性反馈控制已经很难满足各种实际需要。大多数控制系统往往是非线性的，采用近似的线性模型虽然可以更全面、更容易地分析系统的各种性能，却很难刻画出系统的非线性本质，所设计的控制器也很难达到系统的性能要求。线性系统的动态特性已不足以解释许多常见的实际非线性现象。早期的非线性系统分析与设计没有自身的理论体系，对非线性系统的处理主要是采用将非线性特性分段线性化，然后使用线性控制理论分析与设计。

20世纪90年代，伴随着现代微分几何理论的发展，对用建立在线性系统基础上的分析和设计方法难以解决的复杂系统和高质量控制问题的研究有了突破性进展，形成了现代非线性系统控制理论，主要包括：通过利用李括号及微分同胚等基本工具研究了非线性系统状态、输入及输出变量间的依赖关系，系统地建立了非线性控制系统能控、能观及能检测的充分或必要条件，发展了全局状态精确线性化及输入-输出精确线性化的设计方法、基于反馈的无源化设计方法，以及Backstepping递归设计方法和Forwarding递归设计方法等。

1.3课题研究内容

本文主要取非线性控制系统的一种，对非线性PID进行了研究分析。主要是在线性PID的基础上，利用非线性机制，汲取线性PID的精华，构造出一种新型的非线性PID控制器。具体的改进措施为：

1.首先将给定信号经过一个跟踪微分器进行预处理，之后再将其送入控制器中进行放大。

2.针对经典PID控制中的微分信号是由于采用超前网络近似实现所带来的负面影响，在非线性PID控制中则对反馈信号使用一个跟踪微分器进行预处理，既可得

2

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

到滤波的输出，又可得到输出的微分信号，用于构造误差的微分以形成控制量。

3.在经典PID控制中，误差信号的比例、微分和积分的线性组合形成的控制量未必是最佳选择，而且这种线性配置有一定的局限性，所以通过恰当得使用非线性就能带来极大的好处。而且计算机已经广泛地应用到控制领域，使得非线性特性的实现变得更加容易。所以改进的措施即为采用这三个信号的一种非线性组合。

4.对于可能出现的积分饱和现象，引入非线性函数，智能化因子a的范围取0~1、积分时间越长，积分项的值越小。

3

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

2非线性PID控制器

2.1 非线性理论

非线性控制系统的研究几乎是与线性系统平行的，并已经提出了许多具体的方法。但总的来说，由于非线性控制系统本身所包含的现象十分复杂，这些方法都有其局限性，不能成为分析和设计非线性控制箱系统的通用方法。非线性控制系统理论的研究目前还处在发展阶段，还有许多问题等待进一步探讨。

2.1.1非线性控制的经典方法及局限性

非线性控制系统早期的研究都是针对一些特殊的、基本的系统（如继电、饱和、

死区等）而言的，其代表性的理论有以下几种。

1.相平面法

相平面法是由Poincare与1885年首先提出的一种求解微分方程的图解方法。这种方法的实质是将系统的动态过程在相平面内用运动轨线的形式绘制成相平面图，然后根据相平面图全局的几何特征。来判断系统所固有的动静态特性。该方法主要用奇点、极限环概念描述相平面的几何特征，并将奇点和极限环分成几种类型，但该方法仅适用于二阶及简单的三阶系统。现代控制理论中的状态空间分析可以看成是相平面分析方法的推广，从相平面法还产生了现代控制理论中的变结构控制。

2.描述函数法

描述函数法是英国的P.J.Daniel教授与于1940年首次提出的。描述函数法的研究对象可以是任何阶次的系统，其思想是用谐波分析的方法。忽略由于对象非线性因素造成的高次谐波成分，而仅使用一次谐波分量来近似描述其非线性特性。当系统中的非线性元件用线性化的描述函数替代以后，非线性系统就等效成一个线性系统，然后就可借用线性系统理论中的频率响应法来对系统进行频域分析。描述函数法可用来近似研究非线性控制系统的稳定性和自持震荡问题，还可用它对非线性控制系统进行综合。

3.绝对稳定性理论

绝对稳定性的概念是由苏联学者鲁里叶与波斯特尼考夫提出的，所研究的对象是由一个线性环节和一个非线性环节组成的闭环控制系统，并且非线性部分满足扇形条件。这两位学者利用二次型加非线性项积分作为李亚普诺夫函数，给出了判定非线性控制系统绝对稳定性判据条件。在此基础上，许多学者做了大量工作，提出了不少决定稳定性判据条件，其中最有影响的是波波夫判据和圆判据，这两种判据

4

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

方法都属于频率法，其特点是用频率特性曲线与某直线或圆的关系来判定非线性系统的稳定性。也有人试图将单变量系统的方法推广到多变量系统的情况，可惜都不成功。

4．李亚普诺夫稳定性理论

李亚普诺夫稳定性理论是分析和研究非线性控制系统稳定性的经典理论，现在仍被大家广泛采用。李亚普诺夫理论的核心是构造一个李亚普诺夫函数，学者们已经提出了一些构造非线性系统李亚普诺夫函数的方法：克拉索夫斯基法、变量梯度法等，但每种方法都有其一定的针对性，还没有一个能适用于各种情况的统一构造方法。李亚普诺夫方法还可用来综合渐近稳定系统。 2.1.2 非线性系统理论的最新发展及问题

自20世纪80年代以来，非线性科学越来越受到人们的重视，数学中的非线性分析、非线性泛函，物理学中的非线性动力，发展都很迅速。与此同时，非线性系统理论也得到了蓬勃发展，有更多的控制理论专家转入非线性系统的研究，更多的工程师力图用非线性系统理论构造控制器，取得了一定的成就。主要有以下几个方面。

1.微分几何方法

用微分几何方法研究非线性系统是现代数学发展的结果，并在进20年的非线性系统研究中成为主流。它的内容包括基本理论和反馈设计两大部分。基本理论部分讨论了非线性系统的状态空间描述与非线性系统其他部分描述部分之间的关系，证明了这几种描述在一定条件下是等价的，并且研究了非线性系统的能能控性、能观性等基本性质。

2.微分代数方法

1986年Isidori发现了微分几何控制理论中的一些病态问题，导致微分代数控制理论的产生。微分代数控制理论从微分代数角度研究了非线性系统可逆性和动态反馈设计问题，该理论使用的最重要的概念是非线性系统的秩p的概念，并得出秩与非线性可逆的关系；将动态扩展算法推广到非线性情形，解决了仿射非线性系统的状态反馈解耦。

3.变结构控制理论

变结构控制严格地应称为具有滑动模态的变结构控制，它是目前非线性控制系统比较普遍、较系统的一种综合方法。构造变结构器的核心是滑动模态的设计，即

5

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

切换函数的选择算法。对于线性控制对象来说，滑动模态的设计已有较完善的结果，对于某些非线性对象，也已提出了一些设计方法。变结构滑模控制实现起来比较简单，对外干扰有较强的鲁棒性。变结构滑模控制虽然有许多优点，但也存在一些不足之处，主要是会产生抖振。对于这个问题也已提出了一些消弱抖振的方法，但并未完全解决。

4.非线性控制系统的镇定设计

镇定始终是控制系统设计的最基本问题，因为一切能够正常运行的控制系统必要前提是稳定。通过系统能控性概念，线性系统的镇定问题已经得到完全解决。因为非线性系统的能控性和镇定之间的关系是不明显的，因此非线性系统的镇定问题要复杂得多。Byrnes和Isidori应用中心流形理论，解决了一类最小相位系统的局部光滑镇定问题。利用Lyapunov函数方法，Artstein研究了松弛反馈镇定问题，得到了局部镇定与光滑反馈、连续反馈及不连续反馈之间的关系结论。Byrnes等用状态空间分解法，将仿射线非线性系统分解成线性和非线性两部分，得到了动态状态反馈全局镇定的结果。也有人用最优化方法，讨论了仿射非线性系统的全局镇定问题。对于镇定的必要条件，Brockett等人做了大量的研究工作，从不同角度得到了许多新的条件。

5神经网络方法

神经网络提出已经有几十年了，它首先被用于解决模式识别等一类问题。由于Minsky和Papert的著作Perceptron指出了当时存在的问题，一度使这方面的研究走入低谷。20世纪80年代，神经网络理论取得突破性进展，引起了控制理论界的广泛关注。神经网络之所以对控制有吸引力，是因为它具有以下几个特点：

（1） 能逼近任意属于L2空间的非线性函数。

（2） 它采用并行、分布式处理信息，有较强的容错性。 （3） 便于大规模集成电路实现。

（4） 适用于多信号的融合，可同时综合定量和定性的信号，对多输入多输出系统特别方便。

（5） 可实现在线和离线学习，使之满足某种控制要求，灵活性大。 6.混沌动力学方法

混沌运动的发现，在科学界引起很大的波动。由于混沌运动是非线性系统一种比较普遍的运动，所以引起各个领域科学家们的广泛兴趣，已经成为各个学科研究

6

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

人员普遍关注的前沿性课题。近几年来，国外在非线性动力学或非线性系统学主题下，出现可大量关于分叉、混沌研究的文献，主要有Holms，Wiggins，Golubistsky等为代表的关于全局分叉、同宿和异宿轨道分析、奇异和群论分析、分叉等解析方面的研究，有以Hsu，Tongue等的胞映射、插值胞映射等为代表的数值方法研究。国内外许多著名学者早非线性震动系统、Hamilton系统及其摄动系统的复杂运动分析、胞映射方法改进及符号动力学方面，也做了大量的工作。

2.2 跟踪微分器（TD）

跟踪微分器TD是这样一个动态系统：对于输入信号V(t),它将输出两个信号x1

和x2，其中x1是跟踪V(t)，而x2?x，从而把x2作为V(t)的“近似微分”。由跟踪器得到的微分信号是输入信号广义导数的一种光滑逼近。

因为对于任意给定的连续、不连续信号，TD可以给出连续、无超调的跟踪信号。所以把跟踪微分器引入到经典PID控制器中，即克服了经典PID控制由于没有对给定信号进行预处理而给系统带来额不必要的结构上的干扰，有克服了经典PID误差信号微分失真。利用TD的PID控制器的结构图如图2-1所示。

?v(t)e0e?TDe1e2线性或非线性组合u(t)被控对象y(t)

图2-1 利用TD的PID控制器

2.2.1 跟踪微分器的数学表达式 二阶跟踪微分器的方程为

??x1?x2x2x2?x2??Rsign(x) (2.1) 1?v(t)?2R??

7

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

为了避免在原点附近的颤振，将符号函数改为饱和函数就得到有效的二阶跟踪微分器：

??x1?x2?x2x2x2??Rsat(x,?) （2.2） 1?v(t)??2R?

其中，

TD滤波器的离散化公式如式（2.3）所示：

x(k?1)?x(kh)?x(k)112x(k?1)?x(kh)?fst2((xk),x(k),(vk),,)rh2212? (2.3)

其中：x1用于跟踪输入信号v，x2用于跟踪v的二阶导数，r是决定跟踪快慢的参数，r越大，x1越能更快地跟踪信号v；h是数值积分步长。

是如下的非线性函数：

其中

8

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

2.2.2 跟踪微分器的数学模型的搭建（simulink下的实现）

在Matlab环境下，可以通过两种方式来实现跟踪微分器的功能：一种是通过编写s函数，也就是编程的方式来实现；另外一种就是在simulink仿真下，通过各个功能模块的搭建来实现的。在本设计中，采用后者。

跟踪微分器的数学表达式如式(3-2)所示，下面即展示利用simulink模块分步实现跟踪微分器的各个功能。对于函数

，其搭建的simulink模块为图2-2所示：

图 2-2 sat()函数功能模块

其中ln1为输入，Out1为输出，并用了几个功能模块：Abs1为取绝对值； Sign为符号函数；Divide1为乘除函数；Switch为选择函数（当输入值的绝对值大于限值时上路接通；当输入值的绝对值小于限值是，下路接通）。所以，设限值为?，

A当A>?时，sat(A,?)=sign(A)；当A

?sat(A,?)函数的功能了。

在此基础上，就可以实现公式（2.2）的功能了，如图2-3所示：

9

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

图2-3 subsystem子系统模块

图中子系统Subsystem1所封装的内容即图2-2所示的内容即sat()函数。Subsystem的输入由三部分组成：x1、?v(t)、上路接入的信号为x1；从下路接入的信号为

x2x22R，其中ln1为输入信号v(t)；从

x2x22R。三路信号的和作为Subsystem的

输入信号，输出信号进入乘除器，作为被除数，除数为-R。乘除器的输出信号进入一个积分器就得到了x2，再经过一个积分器就得到信号x1。再把信号x2引出，经一个乘除器与其绝对值相乘，再除以2R，就可得到已经搭建好了，如图2-4所示

x2x22R。所以整个TD的模型就

图 2-4 TD的实现

把图2-3封装子系统为Subsystem，如上图所示，ln1为输入端，Out1和Out2为输出端。Out1端的输出跟踪输入信号，Out2端的输出为输入的近似微分。

10

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

2.2.3 跟踪微分器的仿真实现与分析

（1）前面已述，微分跟踪是这样一个动态系统：对于输入信号V(t),它将输出两个信号x1和x2，其中x1是跟踪V(t)，而x2?x，从而把x2作为V(t)的“近似微分”。由跟踪器得到的微分信号是输入信号广义导数的一种光滑逼近。给系统加一个正弦信号，幅值为2，频率为1 rad/s。输入正弦函数图形如图2-5所示：

图 2-5 输入正弦图形

输出x1和x2分别如图2-6和2-7所示：

图 2-6 x1输出图形

11

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

图 2-7 x2输出图形

分析以上三图：比较图2-5和图2-6可以发现，两图基本完全是一致的，说明输出x1能够较好地跟踪输入信号，观察图2-7，刚开始有较大的波动，随后稳定了，正是图2-5的微分信号，所以，能较好实现微分器功能。

（2）跟踪微分器还具有一定的滤波作用，下面我们对其进行仿真验证。

在原信号上加入噪声0.1rands(1)的干扰，其波形如图2-8所示：

图 2-8 加噪声的输入信号

12

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

经过TD跟踪微分器后，其输出波形如图2-9所示：

图2-9 滤波后输出波形

所以，比较以上两图可以发现，经过TD后，原波形的噪声明显减少了很多，

并能继续跟踪源信号，说明TD具有很好的滤波功能。

2.3非线性组合

2.3.1 几种典型的非线性组合

选取合理的非线性函数f(x),PID的非线性组合方式有以下几种：

（1）

?v(t)?ee)1?f(u?KeKP1?i?to1de1 edt?Kddt称为非线性误差的PID控制律，其结构如图2-10所示。

?ee0e1非线性组合f(e)e1ddtu(t)被控对象y(t)e2

图2-10 非线性误差PID控制规律结构图

13

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

de?pfe()?K(dt)?Kf()ifd（2）uK?edt

t0称为非线性PID控制律，其结构如图2-11所示，其中虚线部分可称为非线性组合。

?v(t)f()f()e0eddte1e2?线性组合u(t)被控对象y(t)f()图2-11非线性PID控制规律结构图

2.3.2非线性组合的数学模型实现

?e??1??fal(e,??,)????esigne()?fal(e,?,?)的线性区间大小的参数。

2.3.3非线性组合的simulink搭建及仿真实现

e??e?? （2.4）

al(e,?,?)非线性度的参数,其取值范围为0~1；?表征其中?是决定f在simulink下对非线性函数fal()的搭建模型如图2-12和2-13所示：

图 2-12非线性系统

图2-12是封装子系统后的整体模型，为了研究方便，输入为斜坡函数，其子系统封装内容如图2-13所示：

14

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

图 2-13 子系统内部结构

分析图2-13：主要有以下几个功能模块：step为阶跃输入；abs为取绝对值；Product为乘法模块；Divide为除法模块；Sign为符号函数模块；Math Function为指数模块；Switch为开关选择模块。ln1为输入，首先看中路，取绝对值后进入Switch模块，与Switch的限值δ比较大小，当其大于δ时输入信号进入上路，小于δ时输入信号进入下路。对上路分析：输入信号进入上路后又分成两路，一路进入Sign模块变为符号函数，另一路取绝对值后再进入Math Function模块，最后两路信号相乘。对下路进行分析：首先看Math Function模块，它有两路输入：一路是δ，另一路是

1-α。此模块输出进入Divide模块，作为除数，被除数输入。

2.4非线性PID控制器

v(t)v22阶TDv1?e2e1e0非线性组合u(t)被控对象y(t)2阶y1TDy2

图2-14 非线性PID控制器结构图

15

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

通过合理地选取非线性函数、利用跟踪微分器实现对给定信号的预处理和对给定信号的微分信号的提取，可以构造出如图2-14所示的非线性PID控制器。非线性PID包含两个跟踪微分器（TD），一个对系统的参考输入v(t)安排理想的过渡过程并提取参考输入信号的微分信号；另一个跟踪微分器尽可能地复原系统输出

y(t)及其微分信号。非线性PID算法如下：

?v1?v2?v?Rsv2v2?at(v?v(t)?,?) (2.5) 21?2R?y1?y2?v2v2 y?Rs?at(y?y(t)?,?) (2.6) 21?2R?e?1???e2????e0?vv12t0??yy12 (2.7)

?e1dt

u(t)?Kfal(e,,)?Kfal(e,,)?Kfal(e,,) p111i000d222性具有极好的适应性及对自身参数具有较强的鲁棒性。

?????? 适当选取非线性组合和跟踪微分器中的参数，非线性PID控制器对对象不确定

2.5?、?对非线性函数fal的影响及假设

al(e,?,?)的数学表达式如式2-14所示，e为误差大小，非线性函数f即输入量；al(e,?,?)非线性度的参数，其取值范围是0~1；?表征fal(e,?,?)的线?决定f性区间大小的参数。

2.5.1?对非线性函数fal的影响

设计如图2-15所示的试验系统。各非线性环节子系统（Subsystem1﹑Subsystem2﹑Subsystem3﹑Subsystem4﹑Subsystem5）中?的取值分别为0﹑0.25﹑0.5﹑0.75﹑1。在?=0.012不变的情况下，给各非线性环节加入初始值为0，斜率为1的斜坡信号。其输出响应如图2-16所示。

16

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

图2-15 ?取值不同时的试验系统

图 2-16 运行结果的比较

运行结果分析：在?保持不变的情况下，?值越小，曲线的非线性程度越大，非线性效果就越明显，当?为0时，输出曲线为阶跃信号，随着?的增大，曲线越来越接近线性，当?为1时，输出曲线就变为线性函数了。并且在可以看出在1s之前，同一时刻，?值越大，其输出值越小，所有曲线在1s时刻相交，1s之后，?值越大，其输出值越大。

17

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

2.5.2?对非线性函数fal的影响

设计如图2-17所示的试验系统。子系统Subsystem1~7的?取值分别为：0.0000012、0.00012、0.012、1.2、120、12000、120000，?=0.5不变。给各非线性环节加入初始值为0，斜率为3的斜坡信号。输出响应如图2-18所示。

图 2-17 ?取值不同时的试验系统

图2-18 运行结果输出的比较

分析：当δ=0.0000012、0.00012、0.012、1.2时输出曲线基本是重合的，在100s

18

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

的时候输出基本可以达到17左右，呈现较明显地非线性曲线，我们可以从非线性函数的数学表达式来分析：e???e

??1??当δ取值较小的时候，输入在很短时间内fal(e,??,)?????eigne()e???s可实现e??，所以输出为fal(e,?,?)=esign(e)，呈现如上所示曲线。当δ=120的时候，可以发现曲线在t=40s的时候会出现转折，此现象不难分析：输入是斜率为3的斜坡信号，当时间达到40s的时候，输入变为120，而这一点正好是转折点，

e?在这之前e??，fal(e,?,?)=1??，在这点之后，e??，fal(e,?,?)=esign(e)所

?以会呈现如图所示曲线。当δ=12000时，曲线基本呈线性关系，且其输出很小，当

et=100s时，对应输出为2.75，因为δ取值较大，所以前段时间fal(e,?,?)=1??。

?当δ=1200000时，对应的输出值更小，当t=100s时，其对应输出为0.9，同样，δ

e取值很大，所以很长一段时间内fal(e,?,?)=1??。所以，在实际应用中δ的取值

?不能过大，一般情况下，δ最大不能超过个位数。

2.6 ?对跟踪微分器的影响

微分跟踪器的结构如式2-2所示: 共含有两个参数R和?,其中R>0是任意给定的，只要R足够大就可以。所以主要就是?的取值了，下面我们就通过仿真试验来找出?取值的最佳范围。

??x1?x2?x2x2x2??Rsat(x,?) （2.8） 1?v(t)??2R?通过查询有关资料，有一篇文章?取值0.6075，在此基础上，我对?对跟踪微分器的影响进行研究，?分别取0.006075、0.06075、0.6075、6.075、60.75、607.5 ，并输入带噪声的正弦信号，进行仿真，输出结果如图2-19所示：

19

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

图 2-19 运行结果的输出比较

通过图2-19我们不难看出，在?较小的情况下，即?为0.006075、0.06075、0.6075时，TD的输出基本相同，能较好的消除噪声并能跟踪源信号；当?增大到6.075时，输出波形稍微变形，但基本还能跟踪源信号；?继续增大，为60.75时，波形变形较为严重，已不能跟踪源信号了；当?增大到607.5时，输出已经完全变形了。所以，综上，?取值不能过大，应至少取到小数点后一位。

20

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

3电厂主汽温控制系统方案

3.1火电厂主汽温常规控制方案

3.1.1串级调节系统

单回路反馈调节系统是工业生产过程中普遍应用的一种自动调节系统，在电厂热工过程自动调节中应用得也很广泛。但在电厂主要热工过程，例如蒸汽锅炉的自动调节中，由于对运行的安全和经济性有较高要求，单回路反馈系统往往不能满足生产上的要求。

在单回路反馈系统中，只有当被调量偏离给定值时调节器才发生动作，如果调节器动作后到调节对象被调量发生反应的延迟和惯性较大，那么调节器的动作就不能及时、有效地阻止被调量的进一步变化，因而在调节过程中就会出现较大地动态偏差。此外，在单回路反馈系统中，调节器的整定参数是与调节对象的的动态特性有关，对于延迟和惯性较大地调节对象，调节器必须缓慢地动作才能保证系统有必要的稳定裕量，这样也会增加调节过程中被调量的动态偏差。因此对于延迟和惯性较大的调节对象，为了有效限制被调量的动态偏差，必须对单回路反馈系统进行改进。有两种改进途径：

（1） 当被调量发生变化的扰动一经发生，调节器应及早发生动作，不要等到被调量发生变化后才动作。这就要求取得一些比被调量提前反应扰动的辅助信号。调节器接受这些提前信号而及早动作，无疑可以有效的限制被调量的动态偏差。 （2） 改善调节作用下对象的动态特性，使被调量一发生变化，调节器就可以较快地动作（在保证系统必要的稳定性裕量的前提下），这样也能起减少动态偏差的作用。

根据这些设想组成的系统，在电厂热工过程自动调节中常用到的有串级调节系统（以及与串级调节系统类似的采用导前微分信号的系统）和前馈-反馈调节系统【7】，本设计中就是采用串级调节系统。

串级调节系统的结构方框图如图3-1所示。调节系统的任务仍然是使被调量y等于给定值（决定于r），对象的调节结构和执行器仍只有一个，但在系统应用了两个调节单元，还增加了一个中间测点的测值ya作为辅助被调量。串级调节系统比单回路反馈系统多了一个调节单元和一个测量单元。

在图3.1所示的调节系统中，当被调量y偏离给定值时，调节单元2发出校正信号ra，这个信号ra送入调节单元1作为辅助被调量ya的给定值；当ya不等于给

21

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

定值时，调节单元1发出调节动作的信号，推动执行器和调节机构动作，以使被调量y恢复至等于给定值。在这个系统中，由于两个调节器的串联作用来使被调量y恢复到等于给定值，故称为串级调节系统。

u1u2y调节对象2r?iy?调节单元2ra?ia调节单元1执行器调节对象1ya?测量单元1调节对象测量单元2图 3-1 串级调节系统的结构框图

在串级调节系统中有两个闭合回路：由调节单元1、执行器、调节对象1和测量单元1组成的闭合回路称为内回路或副回路，其中调节单元1称为副调节器；调节对象是整个调节对象的一部分，称为调节对象的导前区。另一个闭合回路由调节单元2、内回路、调节对象2和测量单元2组成，称为外回路或主回路。其中调节单元2称为主调节器；调节对象2为整个调节对象的另一部分，常称为调节对象的惰性区。

从图3-1中可以看出，如果扰动发生在内回路中(如图中的u1)，则辅助被调量ya比被调量y变化得早，在被调量y尚未发生变化时内回路就由于ya的变化而起调节作用。这样显然可以较及时地消除扰动的影响，而使被调量y的变化较小。如果扰动发生在内回路之外（如图中的u2），那么只有当被调量y开始变化后调节系统才动作，这时串级调节系统的调节效果就不如前一种情况下那样显著。但是，即使在这种情况下，串级调节系统的调节效果还是可以比单回路反馈系统有所改善。 3.1.2 仿真实例

火电厂主汽温对象具有大延迟、大惯性和时变等特性，在调节的过程中可能出现较大偏差以及不稳定性。过热器管道较长和蒸汽容积较大，当减温水流量发生变化时过热器出口蒸汽温度容易出现较大延迟；负荷变化时，主蒸汽温度对象的动态特性变化明显。另外，主蒸汽温度对象还具有分布参数和扰动变量多的特点。

22

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

v0e1控制器ue2控制器w2w1w??w2(s)?2w1(s)?1

图3-2 主汽温控制系统结构图

针对某火电厂主汽温控制系统进行仿真研究，其结构如图3-2所示。其中w1减温水流量干扰；?1、?2分别为主汽温、导前区气温；w2(s)为该主汽温对象导前

区传递函数（时间常数的单位：s）：

1.58ws)? (3.1) 2((14s?1)2w1(s)为主调节区传递函数（时间常数单位：s）为：

2.45w(s)? (3.2) 1(15.8s?1)4目前，多数电厂采用图3.2形式的串级控制方案，在主汽温串级控制系统中，内回路的任务是尽快消除减温水的自发性扰动和其他进入内回路的各种扰动，对主汽温的稳定起粗调作用；外回路的任务是保持主汽温等于给定值。

3.2火电厂主汽温非线性PID控制方案 3.2.1非线性PID串级控制系统结构

结合火电厂主汽温对象具有大延迟、大惯性和时变等特性，提出了主汽温控制系统非线性PID串级控制方案，由图3-3所示，内回路采用P控制器；外回路采用非线性PID控制器。

w1v0e1非线性PIDu?e2?控制器Pw2ww2(s)?2w1(s)?1图 3-3 非线性PID串级控制系统结构图

非线性PID控制器结构如图3-4所示：非线性控制器由两个跟踪微分器(TD)和

23

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

一个非线性组合组成。其中,一个TD对系统的参考输入v(t)安排理想的过渡过程并提取参考输入信号的微分信号(v1为v(t)的理想过渡过程，即跟踪输入信号；v2为

v(t)的微分信号)；另一个TD跟踪微分器尽可能地复原系统输出y(t)及其微分信号；

再根据v(t)和y(t)产生的跟踪信号和微分信号分别产生比例偏差信号和微分偏差信号，比例偏差信号经积分构造器产生积分偏差信号。运用非线性组合根据这三个偏差信号构成非线性PID控制器的输出控制量。

v(t)v22阶TDv1?e2e1e0非线性组合u(t)被控对象y(t)y2y1TD2阶

图 3-4 非线性PID控制器结构图

3.2.2仿真实现与结果分析

主汽温控制系统的基本结构采用串级控制系统,其中主回路采用采用模糊控制器,副回路采用PID控制器。模糊PID串级控制系统仿真框图如图3-5所示。在仿真界面里将设计好的智能模糊控制器加入到整个控制回路中,其中各参数整定好,即可实现控制回路的仿真。

图3-5模糊PID串级控制系统仿真框图

24

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

为了验证所设计的FC对主汽温对象控制效果,本文采用了600MW直流锅炉过热汽温对象在100%和50%两种负荷下的动态特性来仿真,模糊控制系统和传统的串级PID控制系统的性能相比,来分析此种控制系统在理论和工程上的可行性。 100%负荷下过热器控制系统对象的数学模型为:导前区:0.815/(1+18S)2;滞后区:1.276/(1+18.4S)2。

对控制系统施加阶跃信号,Matlab的仿真输出如下图3-6所示。50%负荷下过热器控制系统对象的数学模型为:导前区:3.067/(1+25S)2;滞后区:1.119/(1+42.1S)2。

对控制系统施加阶跃信号,Matlab的仿真输出如图3-7所示。

从图3-6和图3-7中可以看出,模糊控制与串级PID控制相比,过渡时间短,较快进入稳定,无超调，动态调节品质好。

图3-6 100%负荷Matlab仿真图形

图3-7 50%负荷Matlab仿真图形

25

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

4主汽温非线性控制的仿真研究

以下采用分块隔离，逐个试验分析的方法，进行了几个方面研究： （1）线性比例与非线性比例作用效果。 （2）线性积分与非线性积分作用效果。 （3）线性比例微分与非线性比例微分作用效果。 （4）线性PID与非线性PID作用效果。 （5）非线性PID抗干扰能力测试与分析。 （6）非线性PID鲁棒性测试与分析。

4.1 线性比例与非线性比例作用的比较与分析

4.1.1参数设置

非线性

PID串级控制系统参数设置：内回路P控制器：Kp=22.76；外回路P

控制器主要可调参数：?=0.5，?=0.012，Kp=0.16.

线性PID串级控制系统参数设置：内回路P控制器：Kp=15.64；外回路P控制器主要可调参数：Kp=0.62. 4.1.2 仿真实现与结果分析

图4-1 比例作用下仿真模型的搭建

仿真试验系统如图4-1所示，仿真试验结果如图4-2所示：

26

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

图 4-2比例作用下仿真实验的响应曲线

从图4-2可以看出，在相同设定值下，非线性PID的调整时间为t=200s，比线性PID的稳定时间少110s；非线性PID的最大值为0.69，超调量为0.9，比线性PID少1.2，此外非线性PID的波动较小，较为稳定。所以，综上所述，非线性PID具有更好的控制效果。

4.2 线性积分与非线性积分作用的比较与分析

4.2.1 参数设置

非线性PID串级控制系统参数设置：内回路P控制器：K制器主要可调参数：?=0.5，?=20,KI=0.0035.

p=22.76；外回路I控

线性PID串级控制系统参数设置：内回路P控制器：Kp=15.64；外回路I控制器主要可调参数：KI=0.005. 4.2.2 仿真实现与结果分析

仿真试验系统如图4-3所示，仿真试验结果如图4-4所示。

27

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

图4-3 积分作用下系统模型的搭建

模型搭建完毕，进行仿真，结果如图4-4所示：

图4-4 积分作用下仿真实验的响应曲线

从图4-4中我们可以看出，非线性PID在响应时间上比线性PID稍慢，相差

30多秒。但是非线性PID基本上无超调的，并且稳定时间较线性PID小，在t=350s的时候已进入稳定了，而线性PID则要在t=460s时才进入稳定。

4.3 线性比例微分与非线性比例微分作用的比较与分析

4.3.1 参数设置

非线性PID串级控制系统参数设置：内回路P控制器：Kp=22.76；外回路PD

控制器主要可调参数：Kd=1，?d=0.85，?d=1；KP=0.16，?P=0.5，?p=0.012 线性PID串级控制系统参数设置：内回路P控制器：Kp=15.64；外回路PD控制器主要可调参数：KP=0.62.

28

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

4.3.2 仿真实现与结果分析

仿真试验系统如图4-5所示，仿真试验结果如图4-6所示。

图 4-5 比例、微分系统模型的搭建

图4-6 比例、微分仿真实验的响应曲线

从图4-6可以看出，非线性PID的反应时间相比于线性PID来说，稍微慢了一点，但是无论在超调量还是在响应时间上非线性PID都明显优于线性PID，非线性PID的稳定时间t=180s，而线性PID则是t=310s，快了130s；非线性PID的峰值约为0.67，超调量为0.07，而线性PID的峰值为0.81，超调量为0.14，所以非线性PID具有更好地控制效果。

29

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

4.4 线性PID与非线性PID作用的比较与分析

4.4.1 参数设置

非线性PID串级控制系统参数设置：内回路P控制器：Kp=22.76；外回路PID控制器主要可调参数：Kd=1，?d=0.85，?d=1；KP=0.16，?P=0.5，?p=0.012;

KI=0.0035,?I=0.5,?I=10.

线性PID串级控制系统参数设置：内回路P控制器：Kp=15.64；外回路PID控制器主要可调参数：KP=0.62, Kd=1, KI=0.05. 4.4.2 仿真实现与结果分析

仿真试验系统如图4-7所示，仿真试验结果如图4-8所示。

图4-7系统模型的搭建

图4-8 仿真实验的响应曲线

30

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

从图4-8可以看出，非线性PID的响应时间比线性PID的响应时间稍慢，但是线性PID的波动较大，且不稳定，而非线性PID的曲线较为稳定、平滑，它的稳定是时间相比于线性PID而言，是很短的，t=400s，比线性PID的稳定时间t=1200s快了400s，说明非线性PID控制方案比线性PID控制方案具有更好地控制效果。

4.5 非线性PID抗干扰能力测试与分析

4.5.1 PID抗干扰能力测试

线性PID串级控制系统参数设置：内回路P控制器：Kp=15.64；外回路PID控制器主要可调参数：KP=0.62, Kd=1, KI=0.05. 在t=1300s时加入扰动信号，其结果如图4-9所示：

图4-9 在t=1300s时加入扰动的输入曲线

从图4-9可以看出，在t=1300s时，就会有扰动出现，以后的输出波形一直上下波动，且幅值较大，所以说线性PID的抗干扰能力较差。 4.5.2 不含TD非线性PID抗干扰能力测试

非线性PID串级控制系统参数设置：内回路P控制器：Kp=22.76；外回路PID控制器主要可调参数：Kd=1，?d=0.85，?d=1；K

P=0.16，?P=0.5，?p=0.012;

KI=0.0035,?I=0.5,?I=10. 在t=500s时加入扰动信号，如图4-10所示：

31

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

图 4-10 不含TD的非线性PID结构图

在t=500s时加入扰动信号后其输出曲线如图4-11所示：

图4-11 在t=500s时加入扰动的输出

由图4-11可知，在t=500s时加入扰动，系统的输出会有波动出现，但是波动幅度较线性PID有明显的减少，所以，不含TD的非线性PID有一定的滤波效果及抗干扰能力。

4.5.3 含TD的非线性PID抗干扰能力测试

非线性PID串级控制系统参数设置：内回路P控制器：K调参数：Kdp=22.76；外回路PID控制器主要可=0.012; KI=0.0035,?I=1，?d=0.85，?d=1；KP=0.16，?P=0.5，?p=0.5,?I=10.

在t=400s时加入扰动信号，如图4-12所示：

32

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

图4-12带有TD的非线性PID结构图

加入扰动后的输出结果如图4-13所示：

图4-13 在t=400s时加入扰动时的输出

分析图4-13，我们可以看出，在t=500s时给非线性系统加入扰动后，其输出图形基本不受影响，波动很小，相比与线性PID和不含TD的非线性PID都有明显滤波性能。说明含TD的非线性PID控制系统具有很强的抗干扰能力。

4.6 非线性PID鲁棒性测试与分析

控制系统的鲁棒性是指控制系统在某种类型的扰动下，包括自身模型的扰动下，系统某个性能指标保持不变的能力。对于实际工程系统，人们最关心的问题是一个控制系统当其模型参数发生大幅度变化或其结构发生变化时能否仍保持渐近稳定，这叫稳定鲁棒性。进而还要求在模型扰动下系统的品质指标仍然保持在某个

33

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

许可范围内，这称为品质鲁棒性。

为了测试比较PID和非线性PID的鲁棒性，尝试改变被控对象模型参数来观察系统输出响应。

2.4510(1)将主调节区传递函数w改为，得到输出曲(s)?w(s)?1144(15.8s?1)(15.8s?1)线如图4-14和图4-15所示。由图4-14可知，当改变模型参数后，PID系统发散，不稳定了。说明PID的鲁棒性能较差。而由图4-15可知，在改变系统模型参数后，非线性PID的输出曲线仍然是稳定的。虽然有超调量了，但是超调较小，在可以接受的范围内；调整时间有所加长，但是在t=650s的时候也可以达到稳定了。

图 4-14 线性PID鲁棒性测试结果输出

34

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

图 4-15 非线性PID鲁棒性测试结果输出

2.452.45(2) 将主调节区传递函数w改为，得到输出曲线(s)?w(s)?11(15.8s?1)4(3s?1)4如图4-16和4-17所示。由图4-16可知，当传递函数分母改变后，线性PID的输出就变为发散了，不稳定了。而由图6-17可知，系统参数改变后非线性PID的输出仍然是稳定的，只是在前段时间稍微有点波动，随后就比较平滑了，并且无超调，稳定时间稍微延长一些，由原来的t=400s变为t=700s，是在可以容许的范围内，所以，我们可以得知，相比于线性PID，非线性PID具有很强的鲁棒性。

图4-16 线性PID鲁棒性测试结果输出

35

辽宁石油化工大学继续教育学院论文

图 4-17 非线性PID鲁棒性测试结果输出

36

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5287.html